DE60319218T2

DE60319218T2 - Verbessertes sandwich-plate-system (sps)

Info

Publication number: DE60319218T2
Application number: DE60319218T
Authority: DE
Inventors: Stephen John Ottawa KENNEDY
Original assignee: Intelligent Engineering Bahamas Ltd
Current assignee: Intelligent Engineering Bahamas Ltd
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2023-05-23
Also published as: ES2300579T3; ATE386632T1; US20050199166A1; KR20050005510A; DE60319218D1; GB2389072A; GB2389072B; EP1507655A1; EP1507655B1; JP2005527411A; WO2003101728A1; CN1655926A; CN100361810C; AU2003234021A1; GB0212392D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Struktursandwichplattenbauteile, die zwei äußere Platten und einen Kern aus Plastik- oder Polymermaterial, der mit den äußeren Platten mit einer ausreichenden Stärke zum im Wesentlichen Beitragen zu der Strukturstärke des Bauteils verbunden ist, aufweisen.
Struktursandwichplattenbauteile sind in der US 5 778 813 und der US 6 050 298 beschrieben und weisen äußeres Metall, zum Beispiel Stahl, Platten, die zusammen mit einem Zwischenelastomerkern, zum Beispiel aus ungeschäumten Polyurethan, verbunden sind. Diese Sandwichplattensysteme können in vielen Konstruktionsformen zum Ersetzen von versteiften Stahlplatten verwendet werden und vereinfachen enorm die sich ergebenden Strukturen, verbessern die Stärke und die strukturelle Leistungsfähigkeit (Festigkeit, Dämpfungseigenschaften), während sie Gewicht einsparen. Weitere Entwicklungen dieser Struktursandwichplattenbauteile sind in der internationalen Patentanmeldung GB 00/04198 beschrieben. Wie darin beschrieben ist, können Schaumformen in die Kernschicht zum Reduzieren von Gewicht eingebaut werden und querverlaufende, metallische, dünne Platten können zum Verbessern der Festigkeit hinzugefügt werden.
Gemäß der Lehre der GB 00/04198 können die Schaumformen entweder hohl oder fest sein. Hohle Formen erzeugen eine größere Gewichtsreduzierung und sind daher vorteilhaft. Die Formen, die in diesem Dokument beschrieben sind, sind nicht eingeschränkt, dass sie aus Schaummaterial mit geringem Gewicht hergestellt werden, und können auch aus anderen Materialien, wie beispielsweise Holz oder Stahlboxen, hergestellt werden.
Die internationale Patentanmeldung GB 02/01565 ist eine weitere Entwicklung des Konzepts des Aufweisens von hohlen Formen und beschreibt Formen, die einfach herzustellen und zu montieren sind, insbesondere sind hohle, längliche Formen, die aus Schnappverschlussstücken hergestellt sind, beschrieben.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Struktursandwichplattenbauteile anzugeben, die Formen mit geringem Gewicht innerhalb des Kerns aufweisen und verringerte Scherdeformationen unter Belastung und eine verbesserte seitliche Belastungsverteilung aufweisen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird angegeben: Ein Struktursandwichplattenbauteil, mit einer ersten und einer zweiten äußeren Platte, die aus Metall ausgebildet sind, einem Kern aus im Wesentlichen kompaktem Plastik- oder Polymermaterial, der mit den äußeren Platten mit einer ausreichenden Stärke zum Übertragen von Scherkräften zwischen diesen verbunden ist, und einer Mehrzahl von Formen mit relativ geringem Gewicht, die in dem Kern angeordnet sind, bei dem die Formen mit geringem Gewicht so angeordnet sind, dass es Rippen des Plastik- oder Polymermaterials gibt, die sich in zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen in der Ebene des Plattenbauteils erstrecken, wobei sich die Rippen auch zwischen der ersten und der zweiten äußeren Platte erstrecken.
Durch Anordnen der Formen mit geringem Gewicht derart, dass das Plastik- oder Polymermaterial des Kerns Rippen bildet, die sich in zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen erstrecken, wird eine bessere seitliche Verteilung von Belastungen, die auf die Platte wirken, erreicht, wodurch Scherdeformationen des Plattenbauteils unter Belastung verringert werden. In Verwendung wird eine Belastung, die lokal auf das Plattenbauteil wirkt, in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen durch die Rippen aus Plastik- oder Polymermaterial sowie über die äußeren Platten übertragen.
Die Erfindung kann mit Schaum und hohlen Formen, wie sie in den internationalen Patentanmeldungen GB 00/04198 und GB 02/01565 beschrieben sind, als auch mit jeder anderen geeigneten Form verwendet werden. Die Formen mit geringem Gewicht dienen zum Reduzieren der Masse des Struktursandwichplattenbauteils und müssen nicht signifikant zu ihrer Strukturstärke beitragen. Die grundlegenden Anforderungen an die Formen mit geringem Gewicht sind die, dass sie von geringerer Dichte als das Plastik- oder Polymermaterial sind, das den Kern bildet, und ausreichende thermische und mechanische Eigenschaften zum Beibehalten der gewünschten Form während einer Injektion oder eines Härten des Plastik- oder Polymerkerns aufweisen.
Ist das Struktursandwichplattenbauteil geradlinig, können sich die Rippen in Richtungen erstrecken, die im Wesentlichen parallel zu den Rändern der Platte sind, aber sie können sich auch in Richtungen erstrecken, die einen Winkel mit den Rändern des Plattenbauteils bilden.
Die Materialien, Bemessungen und allgemeinen Eigenschaften der äußeren Platten des Struktursandwichplattenbauteils der Erfindung können nach Bedarf für die besondere Verwendung gewählt werden, für die das Struktursandwichplattenbauteil vorzusehen ist, und können allgemein sein, wie in der US 5 778 813 und der US 6 050 208 beschrieben ist. Stahl oder rostfreier Stahl wird üblicherweise in Dicken von 0,5 bis 20 mm verwendet und Aluminium kann verwendet werden, wo ein geringes Gewicht gewünscht ist. Ähnlich kann der Plastik- oder Polymerkern jedes geeignete Material sein, wie beispielsweise ein Elastomer, wie beispielsweise Polyurethan, wie in der US 5 778 813 und der US 6 050 208 beschrieben ist.
Für einige Anwendungen können nichtmetallische Flächenplatten, wie sie in der UK-Patentanmeldung 0201903.2 mit dem Titel „Verbesserte Struktursandwichplattenbauteile" beschrieben und hierin durch Verweis eingeschlossen sind, verwendet werden. Solche nichtmetallischen Flächenplatten können aus einem verstärkten Komposit- oder Polymermaterial, wie beispielsweise faserverstärktes Polymermaterial, hergestellt werden und Dicken im Bereich von 1 bis 30 mm aufweisen.
Weiter gibt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Struktursandwichplattenbauteils an, das die Schritte aufweist: Vorsehen einer ersten äußeren und einer zweiten äußeren Platte, die aus Metall ausgebildet sind, in einer beabstandeten Beziehung mit einer Mehrzahl von Formen mit geringem Gewicht, die sich zwischen ihnen befinden, Injizieren von ungehärtetem Plastik- oder Polymermaterial zum Auffüllen des Raums, der zwischen den äußeren Platten und den Formen mit geringem Gewicht definiert ist, und Ermöglichen dem Plastik- oder Polymermaterial, sich zum Ausbilden eines im Wesentlichen kompakten Materials, das die äußeren Platten miteinander mit einer ausreichenden Stärke zum Übertragen von Scherkräften zwischen ihnen verbindet, zu härten, wobei die Formen mit geringem Gewicht so angeordnet sind, dass das Plastik- oder Polymermaterial Rippen ausbildet, die sich in zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen in der Ebene des Plattenbauteils erstrecken.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen und die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben, von denen:
1 eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht einer Brückenfahrbahn ist, die Struktursandwichplattenbauteile gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet,
2 eine Draufquerschnittsansicht eines Struktursandwichplattenbauteils gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 1 ist,
4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 1 ist,
5 eine Ansicht ähnlich der 1 einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
6 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 4 ist, und
7 eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 4 ist.
In den verschiedenen Zeichnungen sind gleiche Teile durch gleiche Bezugszahlen angegeben.
1 zeigt einen Teil einer Brückenfahrbahn 1, in der ein Struktursandwichplattenbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Brückenfahrbahn ist in der Form eines Hohlkastens mit Fahrbahn 2 und Unterfläche 3, die aus Platten 10 gemäß der Erfindung von ungefähr 5 oder 6 m Breite und ungefähr 11 oder 12 m Länge gebildet sind. Die Platten 10 sind durch querverlaufende Membranen 6 in Abständen von ungefähr 4,5 m gestützt. Vier Platten über die Breite der Brücke bilden einen Abstand von ungefähr 27 m zwischen Aufhängern 4. Verkleidungsnasen 5 sind einzelne, nichtstrukturelle Stücke.
Die 2, 3 und 4 sind eine entsprechende Drauf-, Längs, und Seitenschnittansicht eines Struktursandwichplattenbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung, das geeignet ist zur Verwendung in der Fahrbahn einer Straßenbrücke. Man beachte, dass die Längsrichtung die Richtung der primären Belastungsübertragung ist. Die Platte 10 kann in der Größenordnung von 5 bis 6 m Breite und 10 bis 12 m Länge sein und Lastkraftwagenlasten eines Gesamtgewichts von 625 kN oder mehr als Teil eines versteiften Hohlkastens aushalten.
Das Struktursandwichplattenbauteil weist eine obere äußere und eine untere äußere Platte (Flächenplatten) 11, 12 auf, die aus Stahl sein können und eine Dicke von beispielsweise im Bereich von 0,5 bis 20 mm aufweisen können. Bei der vorliegenden Anwendung ist eine Dicke von 6 mm geeignet. Randplatten werden zwischen die Flächenplatten 11, 12 um ihre äußeren Ränder zum Bilden eines geschlossenen Hohlraums geschweißt. In dem Hohlraum zwischen den Flächenplatten 11, 12 ist ein Kern 14 aus Plastik- oder Polymermaterial, vorzugsweise ein Polyurethanelastomer. Dieser Kern kann eine Dicke im Bereich von 15 bis 200 mm aufweisen, bei der vorliegenden Anwendung sind 160 mm geeignet. Der Kern 14 ist mit den Flächenplatten 11, 12 mit einer ausreichenden Stärke verbunden und weist ausreichende mechanische Eigenschaften zum Übertragen von Scherkräften auf, die bei Verwendung zwischen den beiden Flächenplatten erwartet werden. Die Verbindungsstärke zwischen dem Kern 14 und den Flächenplatten 11, 12 sollte größer als 3 MPa, vorzugsweise 6 MPa, sein und der Elastizitätsmodul des Kernmaterials sollte größer als 250 MPa sein. Für Anwendungen mit geringer Belastung, wie beispielsweise Bodenplatten, wo die typische Verwendung und Nutzlasten in der Größenordnung von 1,4 kPa bis 7,2 kPa sind, kann die Verbindungsstärke geringer sein, zum Beispiel ungefähr 1 MPa. Aufgrund der Kernschicht weist das Struktursandwichplattenbauteil eine Stärke und Tragfähigkeit einer versteiften Stahlplatte mit einer im Wesentlichen größeren Plattendicke und einer signifikanten zusätzlichen Versteifung auf.
Zum Reduzieren des Gewichts des Struktursandwichplattenbauteils 10 ist nicht das gesamte Volumen zwischen den Flächenplatten 11, 12 durch den Kern 14 eingenommen. Stattdessen ist eine Anordnung von Formen 13 mit geringem Gewicht vorgesehen, die einen wesentlichen Teil des Innenvolumens des Plattenbauteils einnehmen. Die Formen 13 mit geringem Gewicht müssen nicht signifikant zu der Strukturstärke der Platte beitragen und sie erfordern lediglich, dass sie thermische und mechanische Eigenschaften aufweisen, die ausreichend sind, dem Injektionsdruck des Materials zum Bilden des Kerns 14 und der Hitze aus der exothermen Reaktion des Kerns während eines Aushärtens zu widerstehen. Die Formen 13 mit geringem Gewicht können fest oder hohl sein und können beispielsweise feste Schaumblöcke, hohle Plastikformstücke oder hohle expandierte Polypropylenformstücke aufweisen. Die Formen sind allgemein geradlinig in der Gestalt und in einem Gitter angeordnet, so dass der Kern 14 eine Mehrzahl von Rippen 15, 16 aufweist, die sich senkrecht und parallel zu der langen Bemessung der Formen 13 erstrecken, während sich die Formen selbst allgemein in der kurzen Richtung des Struktursandwichplattenbauteils 10 erstrecken. Bei Verwendung übertragen die Rippen 16 des Kerns 14, die sich in der langen Richtung der Platte 10 erstrecken, Belastungen auf die querverlaufenden Membranen 6, während die Rippen 15, die sich in der kurzen Richtung der Platte 10 erstrecken, beim seitlich Verteilen der Belastung unterstützen und lokale Scherdeformationen in der Platte reduzieren. Da die grundlegende Belastungsübertragung in der Platte auf die querverlaufenden Membranen 6 ist, ist lediglich eine relativ geringe Anzahl von querverlaufenden Rippen erforderlich. Beispielsweise können sieben quer verlaufende Rippen 15 in einer Plattenbreite von ungefähr 11 m ausreichend sein. Allgemein kann der Abstand zwischen querverlaufenden Rippen im Bereich von 0,5 bis 2 m sein.
Die Breite der querverlaufenden Rippen 15 kann zwischen ungefähr 10 und 100 mm sein, 50 mm sind bei der vorliegenden Anmeldung geeignet. In einem Querschnitt können die quer verlaufenden Rippen zum Vergrößern des Bereichs der Bindung mit den Flächenplatten 11, 12 rechteckig oder wie ionische Säulen (breitere Oberseiten und Unterseiten) geformt sein.
Die Formen 13 mit geringem Gewicht sind in einer Draufsicht gezeigt, dass sie Nasen 131 an drei Seiten derselben aufweisen. Die Nasen 131 liegen an der benachbarten Form oder an einer Randplatte des Struktursandwichplattenbauteils zum Beibehalten des erforderlichen Abstands zum Bilden der Rippen an. Die Nasen 131 erstrecken sich nicht über die volle Höhe des Struktursandwichplattenbauteils 10, so dass sie eher lediglich kleine Löcher in den Rippen des Kerns bilden, als dass sie sie unterbrechen. Zusätzliche Nasen 131 können an der Ober- und der Unterseite der Formen 13 zum Beabstanden der Formen von den Flächenplatten 11, 12 ausgebildet sein, was eine im Wesentlichen kontinuierliche Schicht an Elastomer benachbart zu jeder Flächenplatte erzeugt. Polypropylenabstandshalter können zum Beabstanden der Formen 13 weg von den Rändern der Struktursandwichplattenbauteile vorgesehen sein.
Zum Herstellen des Struktursandwichplattenbauteils 10 werden die Randplatten um den Rand der unteren Flächenplatte 11 geschweißt und dann Formen 13 und jeder Abstandshalter in dem sich ergebenden offenen Hohlraum platziert. Bei dieser Stufe kann jedes vorgeformte Teilstück des Kerns sowie auch jegliche Scherplatten oder andere Fittinge platziert werden, die gewünscht sein können. Dann wird die obere Flächenplatte 12 mit den Randplatten zum Formen eines geschlossenen Hohlraums verschweißt und das Plastik- oder Polymermaterial wird zum Bilden eines Kerns 14, der die Rippen 15, 16 aufweist, injiziert. Dem injizierten Material wird dann ermöglicht, zu härten, und die Injektionsöffnung, die in dem Injektionsschritt verwendet werden, werden abgeschliffen und zusammen mit den Entlüftungsöffnungen abgedichtet. Diese Schritte können an Ort und Stelle oder außerhalb in Fabrikanlagen durchgeführt werden und die fertigen Platten zu der Installationsstelle transportiert werden.
Ein Struktursandwichplattenbauteil gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 5, 6 und 7 gezeigt, die Ansichten sind, die den 2, 3 und 4 entsprechen. Dieses Plattenbauteil kann als eine Bodenplatte, zum Beispiel in einem Gebäude, oder einer schwimmenden Struktur verwendet werden. Das Struktursandwichplattenbauteil 20 der zweiten Ausführungsform ist ähnlich der der ersten, aber kleiner und weist lediglich zwei längliche Rippen über eine Breite von ungefähr 3 m auf. Hinsichtlich der bei Verwendung erwarteten geringeren Belastungen, können die Flächenplatten Dicken von ungefähr 3 mm und der Kern eine Dicke von 60 mm aufweisen. In den 4, 5 und 6 sind Teile des Struktursandwichplattenbauteils 20 mit Bezügen bezeichnet, die denen der 2 bis 4 mit der Addition von 10 entsprechen. Polypropylenabstandshalter sind als 27 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die grundlegende Belastungsübertragung über die kurze Bemessung der Platte über Rippen 26. Querverlaufende Rippen 25 unterstützen bei der Belastungsverteilung und verringern seitliche Scherdeformationen.
Bei den obigen Ausführungsformen werden die querverlaufenden Rippen ausgebildet, wenn das Plastik- oder Polymermaterial zum Bilden des Kerns 13 injiziert wird. Jedoch können die Rippen auch als vorgeformte Elemente gebildet werden, die mit den Flächenplatten 11, 12 verklebt werden.

Claims

Struktursandwichplattenbauteil, mit einer ersten und einer zweiten äußeren Platte (11, 12), die aus Metall ausgebildet sind, einem Kern (14) aus im Wesentlichen kompaktem Plastik- oder Polymermaterial, der mit den äußeren Platten mit einer ausreichenden Stärke zum Übertragen von Scherkräften zwischen diesen verbunden ist, und einer Mehrzahl von Formen (13) mit geringem Gewicht, die in dem Kern (14) angeordnet sind, wobei die Formen eine geringere Dichte als das kompakte Plastik- oder Polymermaterial aufweisen, bei dem die Formen (13) mit geringem Gewicht so angeordnet sind, dass es Rippen (15, 16) des Plastik- oder Polymermaterials gibt, die sich in zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen in der Ebene des Plattenbauteils erstrecken, wobei sich die Rippen auch zwischen der ersten und der zweiten äußeren Platte erstrecken.
Struktursandwichplattenbauteil nach Anspruch 1 und mit einer geradlinigen Gestalt, wobei die zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen im Wesentlichen parallel zu den Rändern des Struktursandwichplattenbauteils sind.
Struktursandwichplattenbauteil nach Anspruch 1 und mit einer im Wesentlichen geradlinigen Gestalt, bei dem die im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen einen spitzen Winkel zu den Rändern des Struktursandwichplattenbauteils bilden.
Struktursandwichplattenbauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der Raum zwischen Rippen (15), die sich in einer ersten von den zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen erstrecken, größer ist als der Raum zwischen Rippen (16), die sich in einer zweiten von den zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen erstrecken.
Struktursandwichplattenbauteil nach Anspruch 4, bei dem der Raum zwischen Rippen (15), die sich in der ersten von den zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen erstrecken, im Bereich von 0,5–2 m ist.
Struktursandwichplattenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Dicke der Rippen (15, 16) im Bereich von 10–100 mm ist.
Struktursandwichplattenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Rippen (15, 16) im Wesentlichen ununterbrochen von einem Rand des Struktursandwichplattenbauteils zu einem anderen erstrecken.
Struktursandwichplattenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Rippen (15, 16) zwischen der ersten und der zweiten äußeren Platte (11, 12) erstrecken.
Struktursandwichplattenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Rippen (15, 16) durch Injektion des Plastik- oder Polymermaterials in einen Raum, der zwischen der ersten und der zweiten Platte definiert ist, ausgebildet worden sind.
Verfahren zum Herstellen eines Struktursandwichplattenbauteils mit den Schritten: Vorsehen einer ersten und einer zweiten äußeren Platte (11, 12), die aus Metall ausgebildet sind, in einer beabstandeten Beziehung mit einer Mehrzahl von Formen (13) mit geringem Gewicht, die sich zwischen ihnen befinden, Injizieren von ungehärtetem Plastik- oder Polymermaterial zum Auffüllen des Raums, der zwischen den äußeren Platten und den Formen mit geringem Gewicht definiert ist, und Ermöglichen dem Plastik- oder Polymermaterial, sich zum Ausbilden eines im Wesentlichen kompakten Materials (14), das die äußeren Platten miteinander mit einer ausreichenden Stärke zum Übertragen von Schwerkräften zwischen ihnen verbindet, zu härten, wobei die Formen mit geringem Gewicht so angeordnet sind, dass das Plastik- oder Polymermaterial Rippen (15, 16) ausbildet, die sich in zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen in der Ebene des Plattenbauteils erstrecken.